Grundlage für die Spannungserzeugung in einem Generator bildet die elektromagnetische Induktion. Bewegt sich nämlich ein elektrischer Leiter (z. B. eine Drahtschleife) durch die Feldlinien eines Magnetfeldes, so wird in diesem Leiter eine elektrische Spannung hervorgerufen. Dabei ist unerheblich, ob das Magnetfeld feststeht und der Leiter sich bewegt, oder das Magnetfeld sich bewegt und der Leiter feststeht.

Die induzierte elektrische Spannung ist umso größer, je stärker das Magnetfeld ist und je höher die Geschwindigkeit ist, mit welcher der Leiter durch die Feldlinien bewegt wird.

Im Generator wird diese Erscheinung für eine Umwandlung von mechanischer Energie einer Drehbewegung in elektrische Energie genutzt.

Herkömmliche Generatoren benötigen, um bei unterschiedlicher Antriebslast frequenzstabilen Strom zu erzeugen, mehrstufige Planeten-Stirnradgetriebe und hochwertige Frequenzumrichter.

Aus Helmuth Ziegler"Der Wind schwankt, die Leistung nicht", Umweltmagazin, März 2000, Seite 26, ist ein justierbarer leistungsvariabler Generator bekannt, der einen in Längsrichtung verschieblichen Ständer besitzt, um eine Leistungsanpassung ohne Getriebe und Frequenzumrichter zu erreichen. Mit Hilfe einer Einstellvorrichtung kann die Position des Ständers in axialer Richtung relativ zum Läufer verändert werden, so dass die Überdeckung von Ständer und Läufer, und damit auch die Ausgangsleistung des Generators, von 0 % bis 100 % stufenlos einstellbar ist.

Diese Anordnung besitzt jedoch den Nachteil, dass mechanisch bewegliche Teile zur Positionierung des Ständers vorgesehen werden müssen, welche die Herstellung und Wartung des Generators verteuern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen leistungsvariablen Generator anzugeben, bei welchem die Ausgangsleistung einfach und schnell auf elektrischem Wege ohne den Einsatz mechanisch bewegter Teile an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelost.

Der erfindungsgemäße Generator weist insbesondere separat ansteuerbare Erregerwicklungen zur Erzeugung des Magnetfeldes auf, wodurch die räumliche Ausdehnung des Magnetfeldes einstellbar ist.

Auf diese Weise kann die Leistungsabgabe des Generators von 0 % bis 100 % der Nennleistung geregelt werden.

Durch ein Herunterregeln der Leistungsabgabe beim Anlaufen des Generators kann vorteilhafter Weise der Anlaufwiderstand auf ein Minimum reduziert werden. Somit ist z.

B. bei einer Anwendung im Wind-und Wasserkraftbereich wesentlich weniger Anlaufenergie nötig.

Durch diese leistungsvariablen Generatoren benötigen Anlagen, beispielsweise Wind- oder Wasserkraftanlagen, bei denen der Generator eingesetzt werden kann, keine Getriebesteuerung. Daher entfällt der mechanische Widerstand des Getriebes, und es können erhebliche Kosten gespart werden.

Über diese variable Leistungssteuerung kann z. B. bei Wind-und Wasserkraftanlagen eine sehr gleichmäßige Drehzahl erreicht werden, was wiederum zu hoher Frequenzgenauigkeit führt.

Durch den Wegfall von Getriebe und Frequenzwandlern kann das Kosten- Leistungsverhältnis erheblich verbessert werden.

Gemäß der vorzugsweisen Weiterbildung gewährleistet eine eigens für die Erzeugung des benötigten Erregerstromes vorgesehene Erregermaschine, die von derselben Energiequelle gespeist wird wie der Hauptgenerator und einen Permanentmagneten aufweist, dass der Generator im autarken Betrieb, d. h. ohne die Zufuhr weiterer elektrischer Energie eingesetzt werden kann.

Vorteilhafterweise wird diese Erregermaschine in Außenpolausführung realisiert, d. h. das Polrad steht still, während der Ständer mit der Hauptwelle direkt gekoppelt ist und der Erregerstrom kann direkt ohne zusätzliche Schleifringe dem eigentlichen Hauptgenerator zugeführt werden. Damit reduzieren sich die Kosten und der Wartungsaufwand für den Generator.

Durch die Unterteilung der Erregerwicklung in einzelne Spulensegmente kann die Ausgangsleistung auf festgelegte Bruchteile der Nennleistung reduziert werden.

Über eine separate Ansteuerung der einzelnen Pole eines Segmentes kann außerdem eine Feinabstimmung erfolgen, wodurch insgesamt eine stufenlose Regelung der Leistungsabgabe des Generators ermöglicht wird.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Schnittbild eines erfindungsgemäßen leistungsvariablen Generators.

Fig. 2 zeigt eine Abwicklung des Läuferumfanges, aus der die einzelnen Magnetelemente ersichtlich sind.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch einen Generator, wie er z. B. für die Umwandlung der Bewegungsenergie eines Windrades in elektrische Energie verwendet wird. Der Läufer, der die impulserregten Elektromagnete 6 trägt, ist auf einer Hohlwelle 4 angeordnet, welche (hier nicht dargestellt) von einem Windrad angetrieben wird. Der Läufer dreht sich in einem örtlich feststehenden Ständer, in dem sich drei um jeweils 120° versetzt angeordnete Induktionswicklungspakete 5 befinden. Durch die Drehung des Läufers ändert sich das diese Spulenpakete durchflutende Magnetfeld. Es werden in den Induktionswicklungen 5 die Induktionsspannungen induziert, welche einen sinusförmigen Zeitverlauf aufweisen und um jeweils 120° gegeneinander phasenverschoben sind.

Diese Spannungen können an den Anschlüssen 12 abgenommen werden.

Die Magnetelemente 6 des Läufers werden über die Anschlüsse 10a bis g impulserregt.

Die Energie für diese Impulserregung wird von der Erregermaschine 7,8,9 geliefert.

Diese ist als Außenpolgenerator realisiert, d. h. die Induktionswicklung 7 ist auf der Hohlwelle 4 angeordnet und rotiert in dem Magnetfeld des ortsfest montierten Permanentmagneten 8. Der bei Rotation der Welle 4 in der Induktionswicklung 7 induzierte Strom wird über die Zuleitungen 9 als Erregerstrom an die Erregerwicklungen geführt 6. Aufgrund der Außenpolausführung der Erregermaschine ist es möglich, den Erregerstromkreis ohne zusätzliche Schleifringe im Schaltkasten 11 zu schließen.

Die gesamte Generatoranordnung ist in ein verkapseltes Gehäuse 1 eingebaut, das mit einem Gehäusedeckel 2 geschlossen wird. Ein Rollenlager 3 dient der Lagerung der Hohlwelle 4.

Fig. 2 stellt eine Abwicklung der impulserregten Magnetelemente 6 auf dem Umfang des Läufers dar. Dabei sind die einzelnen Spulenwicklungen im Schnitt dargestellt. Der Läufer ist entlang der Hohlwelle 4 in verschiedene Segmente A bis G unterteilt, auf denen jeweils umlaufend. Pakete von Erregerwicklungen 6 angeordnet sind. Über variable elektrische Ansteuerung dieser Erregerwicklungen durch den Erregerstrom kann die geometrische Ausdehnung und die Stärke des Magnetfeldes am Läufer geregelt werden. Entsprechend ändert sich die in der Induktionswicklung 5 induzierte Spannung.

So können beispielsweise bei einer Ansteuerung des Segmentes A 50 % der Nennleistung erreicht werden, bei Hinzunahme des vollständigen Segmentes B weitere 25 % der Nennleistung. Es können jedoch auch einzelne Pole innerhalb eines Segmentes angesteuert werden und daher eine noch feinere Regelung der Leistungsabgabe erzielt werden. Zusätzlich kann die Leistungsabgabe Ober die Zu-und Abschaltung einzelner Phasen im Erregerstromkreis gesteuert werden.

Die Steuerung dieser Vorgänge am Generator kann entweder manuell oder über Funkwellen erfolgen.

Der erfindungsgemäße leistungsvariable Generator kann in all den Bereichen der Energieerzeugung zur Anwendung kommen, wo wechselnde Antriebsleistungen vorliegen, beispielsweise im Wind-oder Wasserkraftbereich. Der Rotorwiderstand kann durch die Steuerung so eingestellt werden, dass die Generatorleistung immer dem tatsächlichen Energieangebot entspricht.

So kann ein Generator mit 100 kW Nennleistung in einer Windkraftanlage bei einem Energieangebot von z. B. 10 kW so angepasst werden, dass er auch nur einen Widerstand entsprechend einem Generator mit 10 kW Nennleistung aufweist.

Bei Windkraftanlagen kann mit dem Generator die Anlaufschwelle unabhängig von der Nennleistung der Anlage auf eine Windgeschwindigkeit von 1-2 m/s gesenkt werden.

Dadurch können auch geringe Windgeschwindigkeiten zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden. Die Generatoren können mit sehr hoher Frequenzgenauigkeit geregelt werden, wodurch eine weitere Frequenzstabilisierung und-regelung entfallen kann.

Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Generator auch in Anwendungsbereichen eingesetzt werden, wo er mit Motorkraft angetrieben wird, z. B. beim Inselbetrieb ohne geregelte Stromversorgung, wie dies im Bereich der Notstromaggregate der Fall ist. Von entscheidendem Vorteil ist bei dieser Anwendung, dass die jeweilige Leistungsaufnahme des Generators aus dem Motor nur der tatsächlich benötigten Leistungsabgabe entspricht. Daher können bei Verwendung des erfindungsgemäßen leistungsvariablen Generators für diese Anwendung erhebliche Mengen an Energie gespart werden.

Ein weiteres Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen leistungsvariablen Generators ist sein Einsatz als Fahrzeuggenerator. Insbesondere im Zusammenspiel mit einem Dieselmotor verbessert sich das Kaltstartverhalten durch den Wegfall des Generatorwiderstandes, wenn beim Start die Ausgangsleistung des Generators auf 0 % eingestellt wird. Da Dieselmotoren während des Betriebes keine elektrische Energiezufuhr benötigen, wird in diesem Fall der Generator lediglich im Nulllastbereich bewegt, elektrische Energie wird nicht erzeugt. Bei anstehendem Energiebedarf wird nur die benötigte Energie erzeugt. Im Teillastbereich arbeitende Generatoren benötigen bei Diesel-oder Ottomotoren eine wesentlich geringere Antriebsenergie, was zur Verringerung von Treibstoffverbrauch und Schadstoffausstoß führt.